2.4.1 Đặc tính kênh truyền đường cáp điện:
Môi trường hoạt động là một vấn đề đối với bất kỳ một hệ thống thông tin nào.
Lưới điện là một môi trường vô cùng phức tạp với rất nhiều các loại tín hiệu khác nhau cùng tồn tại như tín hiệu xoay chiều 220V-50Hz, các loại nhiễu trên mọi dải tần,
các sóng vô tuyến, các xung điện áp xuất phát từ các thiết bị điện. Ngoài ra,không thể phản ánh một cách chính xác năng lượng trong môi trường dây điện. Trong khi đó, thực tế là điện dung của dây bị chi phối trong các trường hợp mở trở kháng lớn hơn nhiều đặc tính của dây, đường điện thường phải tải với trở kháng rõ ràng thấp hơn trở kháng của dây. Một số loại tải có tính dung kháng, tuy trở kháng đối với tín hiệu điện 50Hz lớn nhưng lại là trở kháng nhỏ so với tín hiệu truyền dẫn tần số cao, do đó làm suy giảm nghiêm trọng đến sự truyền dẫn tín hiệu của PLC.
Tải trở kháng thấp 0.1 µF
Sự phát nóng của đường dây 2KW 240VAC 30 Ohms
Bảng 2: Tải đường dây trở kháng thấp
23
Hình 2.11: Phổ tần PLC của thông tin nội bộ
Hình 2.12: Ví dụ về sự méo tín hiệu trên lưới điện 2.4.2 Sự giới hạn băng thông:
Như mô tả ở trên, bề rộng băng thông là tỷ lệ với tốc độ bit, vì thế một băng thông lớn là cần thiết trong truyền thông với tốc độ bit cao. ở châu âu, băng thông cho phép
24
được quy định bởi tiêu chuẩn CENELEC, tiêu chuẩn này chỉ cho phép dải tần số giữa
3kHz và 148.5kHz. Điều này gây khó khăn cho PLC vì với băng thông như vậy không thể thực hiện được việc truyền những thông tin yêu cầu tốc độ mức cao như âm thanh,
hình ảnh trực tuyến Hình 10 trình bày băng thông một cách chi tiết của tiêu chuẩn CENELEC. Dải tần số của PLC được chia thành 5 băng nhỏ. Hai băng đầu (3-9 và 9- 95 kHz) làgiới hạn cho các nhà cung cấp năng lượng và 3 giới hạn kia dành cho tuỳ chọn của khách hàng cung cấp năng lượng. Trong phần ghi chú thêm, chuẩn băng tần được cho phép cũng giới hạn năng lượng tại máy phát. Như vậy, hiện tại vẫn chưa có một thống nhất cho phép về băng tần của PLC, đó là một giới hạn rất lớn ảnh hưởng đến sự phát triển của PLC.
Hình 2.13: Các băng tần trong tiêu chuẩn CENELEC
Trong việc tăng thêm tốc độ bit, băng thông rộng hơn có thể là cần thiết. Các nghiên cứu gần đây đưa ra đề nghị tần số được sử dụng trong khoảng giữa 1 và 20 MHz. Nếu khoảng tần số này được sử dụng, nó có thể làm tăng thêm rất lớn băng thông và có thể cho phép các ứng dụng cần tốc độ bit cao trên đường cáp điện. Một vấn đề quan trọng là một phần của băng tần này đã được phân cho hệ thống thông tin khác. Những hệ thống thông tin khác sử dụng những băng tần cho phép này cũng gây
25
nhiễu loạn tới hệ thống thông tin trên đường điện PLC. Một ví dụ về hệ thống thông tin trong dải này là radio, radio nghiệp dư và hoa tiêu máy bay.
2.4.3 Nhiễu trên đượng cáp điện:
Nguồn gây nhiễu chính trên lưới điện xuất phát từ các thiết bị điện, chúng sử dụng nguồn điện cung cấp 50Hz và phát ra thành phần nhiễu kéo dài trên toàn bộ phổ tần của lưới điện, phần nữa chính là từ sóng radio ở khắp mọi nơi như các hệ thống thông tin di động, phát thanh, truyền hình, kiểm soát không lưu, quân sự ở mọi băng tần được sử dụng từ sóng tần số thấp vài trăm kHz đến sóng tần số siêu cao hàng GHz
mang lại. Nguồn nhiễu sơ cấp của nhiễu trong khu vực dân cư là các thiết bị điện dân dụng như là động cơ, đèn chiếu sáng, tivi. Ta có thể chia nhiễu thành các loại như sau:
2.4.4 Nhiếu tần số 50Hz:
Nhiễu này xuất hiện đồng thời với sóng mang trên lưới điện, nó bao gồm tín
hiệu tần số 50 Hz và các hài của nó. Tuy nhiên, do có tần số thấp nên nguồn nhiễu này chỉ có ảnh hưởng chút ít tới hoạt động của hệ thống. Tần số làm việc của hệ thống
càng nhỏ thì ảnh hưởng của loại nhiễu này càng lớn và ngược lại.
2.4.5 Nhiễu xung đột biến:
26
Hình 2.14: Xung nhiễu xuất hiện khi bật đèn
Xuất hiện một cách bất thường trên lưới điện, mỗi khi có một thiết bị điện kết nối hoặc được ngắt khỏi lưới điện, đặc biệt là những thiết bị có công suất lớn như bếp điện, bàn là, hoặc thiết bị có sự phóng điện như đèn neon. Một thiết bị như vậy khi đóng, ngắt khỏi ổ điện tức là sẽ đóng, ngắt dòng điện lớn làm xuất hiện sự phóng tia lửa điện tại chỗ tiếp xúc, bản thân tia lửa điện này là một nhiễu dải rộng bao gồm rất nhiều tần số khác nhau, mang các mức năng lượng khác nhau.
2.4.6 Nhiễu xung tuần hoàn:
Hình 2.15: Nhiễu xung tuần hoàn
27
Hầu hết nguồn gây nhiễu kiểu này đều xuất phát từ các Triac điều khiển đèn điện tần số xuất hiện của nó bằng hai lần tần số dòng xoay chiều trên lưới, hay nói cách khác là nó sẽ lặp lại sau mỗi nửa chu kỳ.
2.4.7 Nhiễu xung kéo dài:
Hình 2.16: Nhiễu phát ra khi chạy máy hút bụi và phổ tần của nó
Được gây ra bởi các loại động cơ điện, một chiều hoặc xoay chiều trong các thiết bị điện (máy khoan, động cơ truyền lực, máy hut bụi và nhiều các thiết bị ứng dụng khác). Các bộ phận tiếp xúc như cổ góp ở động, cơ điện một chiều sẽ là một trong những nguyên nhân gây nhiễu trên, xuất hiện với tần số của chuỗi xung khoảng vài kHz trở xuống.
2.4.8 Nhiễu chu kì không đồng bộ:
Kiểu nhiễu này có đường phổ không tương quan với sóng sin 50Hz. Việc khởi động thiết bị điện như tivi sẽ làm phát ra loại nhiễu này đồng thời với tần số quét mạnh 15.734 Hz trong tivi. Các thành phần của nhiễu này cần phải được loại bỏ khi thiết kế một hệ thống thu phát. Nó được thấy nhiều trong các khu dân cư và rất không ổn định, mức độ nhiễu thay đổi theo từng ngày, từng giờ tuỳ theo việc sử dụng của người dân. Loại nhiễu này có khuynh hướng giảm dần năng lượng khi mà tần số tăng
28
lên. Mật độ năng lượng nhiễu tập trung dày ở phạm vi tần số thấp. Điều đó có nghĩa là tín hiệu sóng mang trong PLC sẽ ít bị ảnh hưởng của nhiễu hơn khi tần số được tăng lên.
2.4.9 Nhiễu sóng radio:
Bản thân lưới điện chính là một anten rất lớn thu nhận, phát xạ các sóng vô tuyến từ dải tần rất thấp cho đến rất cao. Các dải sóng do các đài phát thanh, phát hình hay radio nghiệp dư phát đi được lưới điện thu được và đó chính là một nguồn gây nhiễu rất đáng kể cho hệ thống thông tin PLC. Thêm vào đó khoảng tần số sử dụng ở PLC cũng bao gồm một khoảng dải tần đã cấp phép sử dụng cho các hệ thống thông tin vô tuyến, chính vì thề mà các tần số cho radio đó nhiều khi rất gần tần số sử dụng của PLC.
2.4.10 Nhiễu nền:
Đây là loại nhiễu mà ta có thể thấy ở bất kì đâu trên lưới điện và đối với mọi loại
hệ thống thông tin. Nó không được gây ra bởi người sử dụng hay bởi các thiết bị điện.
2.5 Trở kháng đường truyền và sự phối hợp trở kháng:
Việc phối hợp trở kháng luôn được cố gắng, như là việc sử dụng cáp 50Ohm và máy thu phát 50Ohm. Mạng lưới điện sẽ không tương thích. Cũng giống như đối với nhiễu, trở kháng của lưới điện thay đổi phụ thuộc vào lượng tải tiêu thụ và vào vị trí của các tải đó trên lưới điện. Nó có thể thấp đến cỡ mili Ohm và cao đến với ngàn
Ohm và đặc biệt là thấp tại các trạm biến áp cấp điện, ở hình trên là biểu đồ trở kháng của lưới điện đo được theo các tần số khác nhau. Ngoại trừ một vài trở kháng đầu vào, các trở kháng phối hợp khác xuất hiện trong kênh truyền lưới điện, hộp cáp điện không tương thích với các dây cáp và vì thế làm cho tín hiệu bị suy hao. Những nghiên
29
cứu gần đây đưa ra đề nghị sử dụng bộ lọc ổn định mạng. Giá thành của những bộ lọc này có thể cao và chúng cần được lắp đặt trong mỗi hộp đấu cáp.
2.6 Suy hao trên lưới điện:
Một vấn đề lớn khác ảnh hưởng đến việc truyền thông trên đường cáp điện là sự suy hao. Đối với sóng tần số cao truyền trên lưới điện thì sự suy hao là rất lớn, lớn hơn so với các hệ thống thông tin khác như thông tin vô tuyến, cáp, cáp quang. Các yếu tố dẫn đến điều đó bao gồm: Thứ nhất là do các tải tiêu thụ kết nối với lưới điện, bản thân mỗi tải tiêu thụ điện thì cũng sẽ tiêu thụ tín hiệu cao tần dù nhiều hay ít, và thực tế cho thấy rằng sự suy giảm gây ra là rất đáng kể, đặc biệt là những thiết bị có tính dung kháng hoặc những thiết bị đốt nóng (có công suất lớn).
Nguyên nhân này rất khó giải quyết do không thể thay đổi toàn bộ các thiết bị điện cho phù hợp với sự truyền thông của PLC mà ngược lại, chính PLC phải tìm cách thích hợp với môi trường sẵn có như thế. Thứ hai là sự phát xạ của sóng cao tần khi chạy trên lưới điện. Bản thân lưới điện chính là một anten rất lớn, dòng điện cao tần chạy trên lưới điện sẽ phát xạ liên tục ở mọi điểm, nhất là những đoạn dây điện có điều kiện bức xạ tốt. Để hạn chế hiện tượng này thì phải sử dụng những dải tần thích hợp trong từng điều kiện cụ thể để có thể giảm bớt sự bức xạ chung.
2.7 Hiện tượng sóng dừng
Đây là hiện tượng cũng dễ xảy ra trong các hệ thống thông tin có sử dụng sóng mang truyền trên đường cáp nhất là đối với các sóng mang tần số cao. Khi sóng được phát đi từ một điểm trên lưới điện, nó sẽ truyền lan khắp lưới điện và suy hao
dần. Nếu như tại điểm phát đi không phải là mạng lưới điện mà chỉ là đôi dây dẫn dài, khi đó toàn bộ sóng phát ra sẽ truyền đi cùng một hướng trên dây dẫn đó. Xét tại một
điểm A trên đường truyền có một tải tiêu thụ công suất lớn (hoặc có dung kháng lớn)
30
cách điểm phát sóng một khoảng dài L. Tại điểm này thì sóng sẽ có biên độ rất nhỏ, hay nói cách khác thì sóng sẽ không truyền qua điểm này được và một phần sẽ phản xạ trở lại. Nếu L thoả mãn điều kiện L=k*ở/2 thì sẽ xảy ra hiện tượng sóng dừng và điểm phát và điểm A sẽ là nút sóng và có biên độ sóng nhỏ nhất, những điểm nằm trong khoảng từ máy phát đến tải và cách đến máy phát bằng n*ở/2 sẽ có biên độ sóng nhỏ nhất và những điểm cách máy phát (2n+1)*ở/4 sẽ có biên độ sóng lớn nhất. Nếu trên đoạn cáp điện đó không có tải tiêu thụ và tại điểm đầu cuối cách máy phát một khoảng L là hở mạch thì khi đến điểm này, sóng sẽ bị phản xạ trở lại. Và khi L thoả mãn điều kiện L= (2k+1)*ở/4 thì cũng sẽ xảy ra hiện tượng sóng dừng tương tự như trên. Như vậy hiện tượng sóng dừng sẽ ảnh hưởng ít nhiều đến truyền thông trên lưới điện vì nếu máy thu đặt tại nút sóng thì tín hiệu thu được sẽ rất yếu.
2.8 Sự phát xạ sóng điện từ và khả năng gây nhiễu
Khi truyền tín hiệu đi trên đường điện, tín hiệu sẽ được phát xạ vào không gian. Có thể xem lưới điện là một anten khổng lồ, thu và phát các tín hiệu, vì vậy phải làm thế nào để hạn chế tín hiệu phát xạ từ lưới điện, không gây nhiễu đến các hệ thống thông tin khác. Khi sử dụng dải tần số 1-20 MHz cho truyền thông, sự phát xạ một vấn đề vô cùng quan trọng bởi vì nhiều ứng dụng Radio khác được cho phép trong
khoảng tần số này. Nó không thích hợp cho một hệ thống gây nhiễu với thông tin trên máy bay, thông tin hàng hải, và các hệ thống thông tin quảng bá khác. Những nghiên cứu gần đây về vấn đề này cố gắng cần thiết đặt mức công suất phát của sự truyền
dẫn. Điều rất quan trọng là công việc này sẽ được hoàn thành trong tương lai gần, từ đó nó giới hạn việc sử dụng băng tần này và sự phát triển của hệ thống thông tin cho kênh truyền là lưới điện. Với đường cáp điện đi trên các cột điện được cắm trên mặt đất thì sự phát xạ là rất lớn, đồng thời nhiễu thu vào từ sóng cũng sẽ lớn. Khi đường cáp được đi ngầm dưới mặt đất thì sự phát xạ sẽ là nhỏ và ít ảnh hưởng đến các hệ
31
thống khác. Thay vào đó là sự phát xạ từ hộ gia đình sẽ trở thành phần đóng góp chủ yếu. Các đường dây điện bên trong các hộ gia đình không được che chắn và vì thế sự phát xạ là khá nghiêm trọng. Một giải pháp có thể được sử dụng là khối lọc tín hiệu thông tin từ đầu vào căn nhà. Bên trong như, tần số và công suất phát được lựa chọn sao cho khả năng gây nhiễu là nhỏ nhất, khối lọc tín hiệu thông tin làm nhiệm vụ chuyển tiếp thông tin giữa hai kênh truyền là trong nhà và ngoài nhà.
2.9 Tổng trở và sự suy giảm
Lưới điện phản ứng như một tải cảm bởi vì cảm kháng trong khoảng tần số này chủ yếu là do các máy biến áp phân phối. Tổng trở thay đổi từ 1 - 2Ω tại 10kHz cho tới 10 - 20Ω tại 100kHz. Tổng trở này có thể mô hình hóa bởi một điện cảm 24μH nối (shunt) với một điện trở 8 Ω và một tụ dung lượng 50nF. Từ tần số 100Hz trở lên, sẽ xuất hiện các cộng hưởng song song và nối tiếp phụ thuộc vào các tải điện. Chẳng hạn, tại 100MHz, trở kháng là 100Ω. Đường dây điện có đặc tính dung kháng 30 - 60pF/m, cảm kháng từ 0,3 - 0,6 μH/m và điện trở từ 75 -150Ω. Thông thường các tải như tivi, lò sưởi có trở kháng nhỏ hơn đường dây điện. Tuy nhiên, tải điện trở lớn hơn ở tần số thấp, trong khi tải cảm kháng lớn hơn ở tần số cao. Trở kháng không thay đổi nhiều trong khoảng thời gian ngắn, nhưng thay đổi nhiều trong khoảng thời gian dài chẳng hạn như thời gian ban ngày và ban đêm. Trên đường dây điện, có một sự suy giảm nhỏ phụ thuộc vào tần số. Giá trị tiêu biểu này thường là thay đổi từ 0,5dB/km ở 9kHz đến 1,5dB/km ở 95kHz. Dưới 100kHz, sự phân tán rất nhỏ. ở khoảng 100kHz quá trình cộng hưởng là rất đáng kể. Từ 100kHz đến 1 MHz có thể có 3 đến 6 cặp cộng hưởng song song nghiêm trọng với giá tri suy giảm đỉnh có thể hơn 80dB. Nguyên nhân chính gây phá hủy môi trường truyền thông là sự thay đổi về độ suy giảm biên độ theo thời gian.
32
độ baud - rate cao nhất tại 6,6 baud. Nó sử dụng loại điều chế âm thanh cho PLC. PLC được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau:
+Điện +Truyền thông +Tương tác điện từ.
Vì vậy các vấn đề chuẩn hóa là vô cùng phức tạp, và do đó sự thành lập của tổ chức
“Homeplug Power Aliance” để đưa ra những chuẩn cần thiết cho công nghệ này. Tổ chức này đã đưa ra chuẩn Homeplug V1.0.1 và thường được gọi ngắn là “Homeplug”.
Mới đây, với sự phát triển khoa học kỹ thuật và sự quan tâm ngày càng nhiều của các tổ chức, một chuẩn hóa mới là sự phát triển tiếp của Homeplug là Homeplug AV.